六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計與仿真分析

梁鵬麗

（呂梁高級技工學(xué)校， 山西 呂梁 033000）

0 引言

近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大的同時，企業(yè)對于機(jī)器人性能及可靠性要求也在不斷提升。在此情況下，六軸工業(yè)機(jī)器人作為當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人，其在應(yīng)用中存在因自重和電機(jī)質(zhì)量過大而出現(xiàn)末端關(guān)節(jié)變形、運(yùn)動過程抖動等情況，不利于保障機(jī)器人控制精準(zhǔn)性。據(jù)此基于現(xiàn)有六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用有限元拓?fù)鋬?yōu)化方法對機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，對以上問題進(jìn)行解決優(yōu)化，將具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 六軸工業(yè)機(jī)器人有限元模型構(gòu)建

根據(jù)六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)構(gòu)建的幾何結(jié)構(gòu)模型，將幾何結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到有限元分析軟件中，獲取到如圖1 所示的六軸工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)格劃分模型。此過程中共劃分出12 248 個單元和12 239 個節(jié)點(diǎn)，并且F 點(diǎn)為模型最大載荷區(qū)域，設(shè)置載荷為5 N。底座設(shè)置固定約束條件。模型中黑色區(qū)域則為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計區(qū)域，而其他部分為非結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計區(qū)域。

圖1 六軸工業(yè)機(jī)器人網(wǎng)格劃分模型

2 六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

在完成模型構(gòu)建后，需要采用有限元拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，在此過程中需為有限元軟件設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)計變量以及約束條件。其中優(yōu)化目標(biāo)為結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小；設(shè)計變量包括材料選擇和結(jié)構(gòu)形式；約束條件為極限工況條件下結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度符合要求[1-2]。

2.1 材料

材料主要采用6061 鋁和3D 打印 visijet_M2R_BK*。通過有限元拓?fù)鋬?yōu)化軟件分別采用兩種材料實(shí)施材料質(zhì)量優(yōu)化對比分析和機(jī)器人末端位移分析。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，采用6061 鋁材料的機(jī)器人末端位最大位移量為3.824 mm，優(yōu)化后的最小結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1.492 kg。

采用3D 打印visijet_M2R_BK*材料的機(jī)器人末端位最大位移量為3.987 mm，優(yōu)化后的最小結(jié)構(gòu)質(zhì)量為0.971 kg。綜合分析后可知，兩種材料中3D 打印visijet_M2R_BK*材料優(yōu)化后質(zhì)量更小，并且機(jī)器人末端位移量僅略高于6061 鋁材料對應(yīng)的機(jī)器人[3-4]。

綜合分析后確認(rèn)六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計采用3D 打印visijet_M2R_BK* 作為六軸工業(yè)機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)材料，此種材料的密度、彈性模量、泊松比以及屈服強(qiáng)度分別為1 200 kg/m3、2 250 MPa、0.35、85 MPa。

2.2 結(jié)構(gòu)

兩種極限工況分別為機(jī)器人完全水平展開和機(jī)器人關(guān)節(jié)90°旋轉(zhuǎn)。對極限工況下六軸工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元拓?fù)浞治觯M(jìn)而獲取到六軸工業(yè)機(jī)器人的6 個臂桿厚度分別為6mm、6mm、3mm、3mm、1.5 mm、2 mm。

基于有限元拓?fù)鋬?yōu)化方法對兩種極限工況下六軸工業(yè)機(jī)器人6 個臂桿厚度下機(jī)器人的等效應(yīng)力和末端最大位移進(jìn)行仿真分析，具體仿真分析結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 第一極限工況下六軸工業(yè)機(jī)器人等效應(yīng)力（MPa）云圖

圖3 第一極限工況下六軸工業(yè)機(jī)器人等效位移（mm）云圖

如圖2 所示，在第一極限工況下，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效應(yīng)力分布區(qū)域主要為機(jī)器人各關(guān)節(jié)區(qū)域、末端區(qū)域以及機(jī)器人底座等區(qū)域，其他區(qū)域應(yīng)力分布較小。其中，最大等效應(yīng)力值為2.331 MPa，最大等效應(yīng)力點(diǎn)為機(jī)器人末端區(qū)域。如圖3 所示，第一極限工況下，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效位移分布特征表現(xiàn)出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點(diǎn)處于機(jī)器人末端區(qū)域，最大等效位移值為3.987 mm。

在第二極限工況下，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效應(yīng)力分布區(qū)域與第一極限工況下應(yīng)力分布區(qū)域基本保持一致。其中，最大等效應(yīng)力值為2.334 MPa，最大等效應(yīng)力點(diǎn)為機(jī)器人末端區(qū)域。此外，第二極限工況下，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效位移分布特征表現(xiàn)出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點(diǎn)處于機(jī)器人末端區(qū)域，最大等效位移值為3.987 mm[5]。

通過以上仿真分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可滿足六軸工業(yè)機(jī)器人正常使用需求，可在設(shè)計中沿用該結(jié)構(gòu)設(shè)計。

總結(jié)分析后確認(rèn)，六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中材料采用3D 打印visijet_M2R_BK*，結(jié)構(gòu)設(shè)計中6 個臂桿厚度分別為6 mm、6 mm、3 mm、3 mm、1.5 mm、2 mm。

3 六軸工業(yè)機(jī)器人有限元仿真分析

根據(jù)六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計對模型進(jìn)行重構(gòu)和網(wǎng)格劃分，再根據(jù)網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)實(shí)施模型仿真分析，具體分析結(jié)果如下。

3.1 第一極限工況

通過有限元分析軟件對第一極限工況下優(yōu)化六軸工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)度與剛度進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而獲取到圖4 和圖5 中的仿真分析結(jié)果。

圖4 優(yōu)化后六軸機(jī)器人等效應(yīng)力（MPa）云圖

圖5 優(yōu)化后六軸機(jī)器人等效位移（mm）云圖

如圖4 所示，在第一極限工況下，優(yōu)化后的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效應(yīng)力主要分布于關(guān)節(jié)區(qū)域和與底座相連接的臂桿區(qū)域。其中，最大等效應(yīng)力值為2.028 MPa，最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于與底座相連接的臂桿區(qū)域。如圖5 所示，第一極限工況下，優(yōu)化后的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效位移分布特征表現(xiàn)出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點(diǎn)處于機(jī)器人末端區(qū)域，最大等效位移值為3.569 mm。

3.2 第二極限工況

在第二極限工況下，優(yōu)化后的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效應(yīng)力主要分布于關(guān)節(jié)區(qū)域和與底座相連接的臂桿區(qū)域，同第一極限工況應(yīng)力集中區(qū)域保持一致。其中，最大等效應(yīng)力值為2.028 MPa，最大等效應(yīng)力點(diǎn)位于與底座相連接的臂桿區(qū)域。此外，第二極限工況下，優(yōu)化后的六軸工業(yè)機(jī)器人的等效位移分布特征表現(xiàn)出從末端到底座依次遞減的特征。其中最大等效位移點(diǎn)處于機(jī)器人末端區(qū)域，最大等效位移值為3.949 mm。

綜上所述，在兩種極限工況下，優(yōu)化后的六軸工業(yè)機(jī)器人剛度及強(qiáng)度均符合要求。

4 六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的工程應(yīng)用

采用六軸工業(yè)機(jī)器人輕量化結(jié)構(gòu)制作工業(yè)機(jī)器人，確認(rèn)相較于原有六軸工業(yè)機(jī)器人，輕量化后的六軸工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量從原本的1.818 kg 下降至1.337 kg，減重0.481 kg，下降26.5%，滿足六軸機(jī)器人輕量化目標(biāo)。

同時，為進(jìn)一步確認(rèn)優(yōu)化后六軸工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用效果，還需將輕量化后的六軸工業(yè)機(jī)器人應(yīng)與生產(chǎn)實(shí)踐，進(jìn)而在經(jīng)過某工廠中為期3 個月的工程實(shí)踐應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，輕量化后的六軸工業(yè)機(jī)器人在某工程中應(yīng)用期間各結(jié)構(gòu)件均未出現(xiàn)明顯變形情況，說明輕量化后的六軸工業(yè)機(jī)器人在減輕質(zhì)量，降低制造成本的同時，也能夠保障機(jī)器人的正常生產(chǎn)使用，具有較強(qiáng)應(yīng)用價值。

5 結(jié)語

基于六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化需求，結(jié)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹一種結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計。此設(shè)計方案主要采用有限元拓?fù)鋬?yōu)化法，從結(jié)構(gòu)和材料兩個方面進(jìn)行輕量化設(shè)計，進(jìn)而將獲取到的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計分別采用有限元仿真分析和工程應(yīng)用分析確認(rèn)其應(yīng)用價值，證明此六軸工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計可在后續(xù)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中進(jìn)行參考應(yīng)用。